単純、低コストで繰り返し着脱できる接着構造の製造プロセスを開発――ハエの脚裏を参考に NIMSら

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物質・材料研究機構(NIMS)は2020年6月11日、北海道教育大学、浜松医科大学と共同で、「接着と分離を繰り返せる接着構造」を単純、低コストで製作できる新しい製造プロセスの開発に成功したことを発表した。ハエの脚裏にあるヘラ状接着性剛毛の構造を参考にすると同時に、作り方もハエの「生きたサナギの中での成長」を観察して模倣することで実現したという。

従来は、これまで「強力な接着」によって丈夫な製品が作られていた。しかし、循環型社会ではリサイクル時の分解、分別を強力な接着が妨げる問題があるため、「接着と分離を繰り返せる新しい接合構造」の開発が進められている。

バイオミメティクス(生物模倣技術)の分野では、接着と分離に優れた接着構造を持つ生物の「形」を模倣した高機能の接着構造が開発されている。ただし、複雑な構造を製作するために、半導体製品製造に用いられるMEMSなどを活用するため、高い生産コストが課題となっていた。

そこで研究グループは、生物が接着構造(昆虫の脚裏など)を少ないエネルギー消費により、室温で形成していることに着目。生物の「形」に加え、生物自身の「作り方」を模倣する独創的な手法を開発した。

今回、接着と分離を繰り返せる接着構造として「ハエ型(脚裏のヘラ状接着性剛毛)」に着目。免疫組織化学染色、細胞骨格性アクチンを蛍光標識することにより、キイロショウジョウバエのサナギの中で脚裏のヘラ状接着性剛毛が形成される過程を観察した。

その結果、ヘラ状の脚裏接着性剛毛は、(1)剛毛形成細胞の伸長と細胞骨格性アクチン繊維により、へら状の骨組みを形成した後、(2)クチクラの分泌により固化して形成する、という単純な形成プロセスであることを解明した。

この形成プロセスをもとに、2ステップのみの単純な製作プロセスを設計。ナイロン繊維の引き上げ(ヘラ構造の形成)と固化により、室温でハエ型と同等の接着構造を製作することに成功した。作成した接着構造は、昆虫の脱着機構と同様に、力をかける方向により強い接着力を示したり、簡単に分離させたりできる脱着効果が確認された。1本で52.8gのシリコンウエハを持ち上げることができたという。また、単純なプロセスにより、低コスト化できるとしている。

接着と分離を繰り返せる接着構造は、新たな応用環境の拡大が考えられる。産業用ロボットのアームに取り付けて滑りやすい製品の新しい保持方法にしたり、屋外用ロボットの脚部として虫のように垂直の壁を登れるようにしたりすることができる可能性がある。開発した製造プロセスにより、生産コスト、製造エネルギーの低減が図れるため、環境低負荷技術としての普及が期待できる。

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